理学裂缝研究的理论与方法

理学裂缝研究的理论与方法第1页/共108页一.前言二.天然裂缝研究三.人工裂缝研究四.结束语第2页/共108页一.前言

裂缝可分为人工裂缝和天然裂缝二大类，其存在特征是国内外油田,特别是低孔低渗油田开发亟待解决的问题。对裂缝的了解程度常常决定着油田的开发效益。许多油公司在裂缝研究方面投入大量人力、物力，不断提出新的裂缝研究理论、技术、方法，使可以认识裂缝的油田种类越来越多，也从中取得了明显的经济效益。可以说，我们所以不能正确地认识某类油田的裂缝，是因为我们还没有找到针对性的认识方法。第3页/共108页二.天然裂缝研究(一).局域网微地震监测(二).井壁裂缝三维延拓技术(三).挠曲度分析技术(四).古应力场恢复技术(五).一些备用技术(六).目标第4页/共108页(一).局域网微地震监测1.理论2.局域网裂缝监测技术3.微地震信号识别4.微地震定位5.微地震信号强度预测6.

局域网微地震监测方法测试结果7.该技术在开发中后、期的应用8.需要做的工作及先进性第5页/共108页1.理论

该技术采用检测地下微地震，统计地震发生几率的方法研究裂缝分布轮廓。是国外提出的，用于油田开发前期的最新技术。微震发生过程可以写为：（S1-S2）*SIN（2α）/2》τ0+μ（S1+S2-2p0）/2+μ（S1-S2）*COS（2α）/2(1)

这里,S1

，S2是最大，最小主应力，α是在S1

、

S2所在平面内，最大水平主应力方向与层面法向的夹角。公式右侧大于左侧时，地层发生活动，微地震发生。可以看出:应力、地层压力、夹角是判断地层是否发生滑动的三个参数。地层压力P0增加，致使右侧值减小，使地层发生滑动的几率增大。τ0是地层的固有强度，数值在几兆帕至几十兆帕，沿已有裂缝面发生错动，τ0为零。这使沿已有裂缝面发生微震的可能性远大于完整岩石。这也是假定多数微地震沿已有裂缝发生的理论基础。μ是层面间摩擦系数。第6页/共108页

2.局域网裂缝监测技术

据这一理论，可以用微地震监测方法测试未开发区的裂缝分布轮廓。美国科学家首先提出并使用了这个方法，在科恩县取得了令人满意的观测结果。该次观测使用由七个台组成的微地震台网，给出主干裂缝分布轮廓。经与其它方法对比，证明该结果是正确的，与实际是相符的。第7页/共108页图1.美国人在科恩县取得的观测成果

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我们使用临时拼凑起来的模拟台网在中原户部寨气田也试验了这一技术。由于该气田处于开发后期，观测结果是可以检验的。我们使用六台小局域流动微地震台网，该台网一次观测控制面积为2个平方公里，经6次监测覆盖整个研究区。每次监测的持续时间4小时。尽管使用的台网存在各种不足，但观测结果是令人鼓舞的。第9页/共108页

破裂的临界强度由岩石本身的性质决定，与激励条件无关，只在作用达到破裂条件瞬间才会有微地震发生，因此微地震信号的强度也与激励条件无关。而破裂发生的频度是与激励条件有关的，激励强度越大，单位时间发生的微地震也越多。无激励时的观测需要持续更长的时间。第10页/共108页

局域网微地震监测方法测试结果第11页/共108页第12页/共108页由等值线描绘的裂缝密度分布图（图4）中,等值线密集的地方为裂缝密度变化较快的位置，它不表示裂缝密度大，裂缝的密集程度仅由颜色表示。因此，等值线稀疏，颜色深的位置裂缝密度大，裂缝密度变化平缓，是相对有利的储油、储气位置。据此分析，我们认为，该构造的顶部是一个变化平缓的高裂缝分布区，东侧较西侧变化慢，相对有利一些。局域微地震台网监测给出的这一结果为用其它方法研究该区裂缝设定了一个总体趋势，使其它裂缝研究方法有一个既定的目标。第13页/共108页第14页/共108页1.观测分析结果与地质研究结果相符

2.观测结果与实际生产状况有很好的一致性

3.观测结果与断层的影响趋势对应由实验结果,我们有理由相信.如果我们使用整体局域网,如果我们使观测持续时间增长为几天,如果我们采用数字传输,我们可以在新油田开发初期给出可信的油田裂缝分布轮廓。第15页/共108页7.该技术在开发中后、期的应用

这一观测技术也可以用于套管变形区监测;热驱前缘监测;注水前缘监测。在华北油田我们实验了用微地震方法监测注水前缘的可行性，结果是令人鼓舞的。第16页/共108页第17页/共108页第18页/共108页第19页/共108页

京430井位于京11-2断块上,从观测结果可以看出:京18计,京367处于水淹区,京367本来就是水井;京425,京415,京627处于注水见效区;京628,京625,京418,京420井处于注水无效区。有效区产液是无效区的3.56倍,产油是2.6倍,产水是5.0倍。

第20页/共108页表2.京430井变压注水效益对比

第21页/共108页第22页/共108页第23页/共108页第24页/共108页京344井第25页/共108页第26页/共108页8.需要做的工作及先进性1).该技术的核心是微地震实时定位技术。目前，我们已取得了突破性进展。

2).完善、研制一套局域网设备,如果希望精确确定裂缝的深度分布,则需研制一套包括一个井下地震仪的立体台网。该台网采用前端16位采样，数字传输技术。地面采用无线传输，井下采用光缆传输。

3).研制配套的软件包,针对不同的观测目的,不同的地质条件，使用不同的软件。

4).如果使用三分向地震仪，还可以给出震源机制，精细描述裂缝形态。第27页/共108页(二).井壁裂缝三维延拓技术1.井壁裂缝三维延拓技术的理论依据2.单井井壁裂缝三维延拓处理结果3.全区在3400米深度的裂缝形态4.该项技术需要做的工作及先进性第28页/共108页1.井壁裂缝三维延拓技术的理论依据

井壁裂缝三维延拓是依据井壁裂缝的测试结果,推断近井区的裂缝分布的一种方法。来源于美国斯坦福大学,是目前井周裂缝研究的最好方法。国内，胜利油田，渤海油田都使用过该方法，并取得了很好的效果。我们使用油田倾角测井资料。按延拓理论给出井周250米范围的裂缝相对密度分布。每口井给出四张图：裂缝分布柱状图，高裂缝密集区分布图，切片图，及指示裂缝产状的乌尔夫网图。实际上，我们可以定量或半定量的给出所有等级的裂缝密度分布。例如,红色点表示,在该点附近,125立方米范围有10条以上的裂缝。第29页/共108页倾角测井图第30页/共108页

图形的颜色反映了该井整体裂缝密度特征，颜色越近蓝色，裂缝密度越低。在显示高裂缝密集区分布的图中，显示的裂缝相对密度的标准色由图5给出，裂缝的相对密度分为10级,从左向右逐次增大,红色是裂缝最密集的位置，从该图可以看出高裂缝密集区相对于井孔的位置，可以判断该井井位的正确性，打加密井、侧钻井的位置和方位。第31页/共108页第32页/共108页

裂缝方位和倾角由乌尔夫网图表示，这是国际同行惯用的裂缝投影、分组的方法，表示结果简单明了，仅用一个点就表示了一条裂缝。乌尔夫网图的正上方是正北方向，沿圆周顺时针方向表示裂缝面的倾斜方位，与该方向垂直的方向表示裂缝走向；自圆周向圆心分为0-90度，表示裂缝面的倾角。本研究区裂缝倾角多在30-60度范围；优势倾向为南东向和北东东向，表示优势裂缝走向为北东向和北北西向。第33页/共108页第34页/共108页

把从所有井抽出的3400米深度的数据平面统一数据单位后，用专用程序合并在一个数据平面上，并按100X100的网格进行网格化。网格化后的结果，在MATALEBE平台上处理出研究区3400米深度的相对裂缝密度分布图，裂缝分布梯度图，该深度为户部寨气田的产层深度。分布梯度图给出了裂缝密度发生变化的方向。第35页/共108页卫351-1井第36页/共108页第37页/共108页第38页/共108页第39页/共108页部1-1井第40页/共108页第41页/共108页部1-3井第42页/共108页第43页/共108页各井在3400米深度的薄片分析

我们抽出各单井3400米深度的三维裂缝延拓结果,进行裂缝密度分析,给出裂缝的相对密度分布。分析结果用伪彩色图表示，相对裂缝密度由右侧的色标表示，向上裂缝密度变大。实际上，我们可以每隔5米给出一个裂缝分布平面。第44页/共108页部1-7第45页/共108页

部1-3第46页/共108页部6第47页/共108页部7第48页/共108页部1-12第49页/共108页3.全区在3400米深度的裂缝形态

全区在3400米深度的裂缝密度分布，反映了户部寨气田的气层裂缝形态。研究其分布，对气田开发有指导意义。由于有足够多的测井资料，可以综合分析井壁裂缝三维延拓资料,给出研究区区域裂缝平面分布。由于分析使用了井壁裂缝资料的延拓结果。钻井密集的地方分析结果相对可靠，钻井稀疏的地方分析可靠性变差。图上用数字所标明的井位是为了指示图形位置，数字与表1中的井号对应。区域裂缝平面分布由等值线图和伪彩色图表示。由户部寨气田裂缝相对密度分布图可以看出,在北部、中部都存在一些较高的裂缝密度分布区。这些区是潜在的新井井位位置。南端也显示出一个高裂缝密度分布区，它反映了断层相交的影响，不确定是一个可以选用的井位。图中的编号对应着相应的井位.

第50页/共108页裂缝密度等值线图第51页/共108页

本研究区裂缝倾角多在30-60度范围,百分之七十五的裂缝面倾角大于45度，高倾角占据优势；第52页/共108页

测试分析得到的低倾角裂缝部分反映了早期的挤压作用，部分反映了非构造裂缝的影响。优势倾向为南南东向（150-170），南东向（130-150）和北东东向（70-80）；表示优势裂缝走向为北东东向（60-80）,北东向（40-60）和北北西向（160-170）。第53页/共108页

裂缝走向和倾角反映了裂缝生成时的应力状态,在同一个均匀应力场作用下裂缝应具有大体上一致的裂缝形态。三组不同走向的裂缝反映了应力的不同作用方式，是与应力分期相关的。研究区的裂缝可以大体分为三期。这为其它地质研究所证实(东营组、上第三纪前、上第三纪末)。第54页/共108页

北东东走向(60-80)的裂缝与现今应力场最大水平主应力的方向基本一致，从应力场演变过程可以判断，这组裂缝是最新的裂缝。由于其走向与现今最大水平主应力方向大体一致，且倾角较大，裂缝面承受着仅相当最小水平主应力的最小的挤压应力作用，有最好的张开程度和导通性，是户部寨气田最有效的一组裂缝。第55页/共108页

北东（40-60）走向的裂缝与最大水平主应力方向的偏差较小，应具有一定的储气能力和导通度，是相对有效的一组裂缝。第56页/共108页

北北西（160-170）走向的裂缝应该是早期裂缝，倾角很低，是在逆冲挤压背景下形成的，属于压剪性裂缝。其走向已经和现今应力场的最大水平主应力方向垂直，裂缝面上承受着最大的挤压应力作用，张开程度和导通度很低，是一组很少有效的裂缝。第57页/共108页1.对块状油田该技术是可信的,但对层状油田,应该考虑在不同的地质介质中裂缝的延拓差别。

2.做区域裂缝研究时应该把同一地质层面拼合在一起,而不是同一深度的层面。那样会更真实的反映裂缝分布。第58页/共108页4.该项技术需要做的工作及先进性1.进一步完善延拓理论

2.配备一套高速计算机系统

3.完善从读图,各类数据转换,及计算结果的软件包

4.该技术适用于油田开发中、后期,可做天然裂缝精细描述。是目前最为看好的裂缝研究方法。第59页/共108页(三).挠曲度分析1.挠曲度分析理论及优越性

2.挠曲度分析实例13.龙虎泡、葡西、新站油田挠曲度裂缝预测

4.需要做的工作第60页/共108页

挠曲度方法与其它方法相比，在褶皱变形细节研究方面具有优势。如确定斜坡带的次级隆起，小的局部褶皱。挠曲度分析方法还在具有垂直运动分量的裂缝检测方面具有优势，如与倾滑，逆冲相关的裂缝分布。油田裂缝多与倾滑运动相关，因此有时挠曲度分析方法会取得很好的分析结果，得到其它方法不能替代的作用。挠曲度裂缝分析理论也是由美国斯坦福大学提出并发展了的地层裂缝分析理论，并在多种场合得到验证。

第61页/共108页2.挠曲度分析实例1第62页/共108页3.龙虎泡、葡西、新站油田挠

曲度裂缝预测嫩4组第63页/共108页第64页/共108页第65页/共108页4.需要做的工作1).研制一套直接获得界面深度的技术2).配套相应软件第66页/共108页(四).古应力场恢复1.古应力场恢复理论2.三维古应力场模拟3.古应力场恢复实例第67页/共108页1.古应力场恢复理论

地下裂缝是在不同的地质时代，在当时的应力场作用下形成的。恢复当时的历史应力场，就可以判断该期构造的裂缝特征。古应力场恢复是通过野外地质考查,有依据的古运动分析,遵照历史延革过程,按一定的准则恢复特定历史时期的应力边界,通过逼近和模拟进一步判断当时的裂缝特征。第68页/共108页2.三维古应力场模拟

三维应力场数值模拟采用四面体十节点单元。为有更高的精度，使用的单元数近10万个，并在区内设置多条断层（图107）。模拟层数为9层，有7层给出结果。每层给出：最大，最小水平主应力，最大剪切应力，球形应力，最大水平主应力方向，K值计6张图。模拟使用Ansys通用非线性软件。第69页/共108页

其中，K值图反映裂缝的相对密度，K值大，裂缝的相对密度也大。据摩尔-库伦准则:K=(S1-S2)/(S1+S2

–2P0)

上式的分子是差异应力，是生成裂缝的动力；分母是有效球形应力，是阻止裂缝生成的作用力，该值越大，裂缝生成的几率越高。因此，K值可以作为判断地层裂缝密度分布的参数。该参数适合逆冲，平移，倾滑等与层面具有滑动趋势的裂缝生成机制有关的裂缝密度分布；仅在判断纯拉张机制生成的裂缝密度时存在较大的误差。但地下裂缝很少有纯拉张裂缝。第70页/共108页3.古应力场恢复实例第71页/共108页第72页/共108页第73页/共108页第74页/共108页第二K值第75页/共108页(五).一些备用方案1.地震勘探与波速测井资料的联合反演该方法以沃尔什公式为依据,反演裂缝与孔隙度分布。俄罗斯专家在这项研究中取得过好的成果。该方法适用于开发的中后期。第76页/共108页2.大地电磁测深与电导率测井的联合反演该项研究可以给出裂缝及有利储层的优势空间分布，适用于开发的中后期第77页/共108页3.重力勘探与地震勘探的联合反演该方法可以给出某一界面下裂缝的二维分布。适用于开发前期第78页/共108页

（六）.研究目标

紧跟国际先进水平与动态,开发新技术完善现有技术研究、配套针对不同种类,不同开发阶段油田的裂缝研究理论第79页/共108页三.人工裂缝识别(一).国外研究现状(二).国内进展(三).建议的研究方法(四).达到的目标第80页/共108页(一).国外研究现状

该项研究已有近二十年的历史,研究理论和方法也几经变革，目前国外已达到实时监测的水平。国外主要人工裂缝识别技术为：

1.单井井下人工裂缝监测

2.多井井下人工裂缝监测

3.井下地面组合观测其中以第三种方法最为实用第81页/共108页法国CreatechIndustrie

提出了一个Miro-seismicimaging技术,用放在浅层的永久性地震仪和放在井下的半永久性井下三分向地震仪，通过监测微地震事件的方法进行单井人工裂缝成象。被认为是一项油田压裂裂缝研究的新技术。浅层的地听器起到重要的辅助作用。第82页/共108页放入作业井的井下地震仪第83页/共108页所使用的三类仪器第84页/共108页四维地震分析结果第85页/共108页光缆传输方式第86页/共108页该技术的优越性1.永久浅地震台网与单井人工裂缝成象的概念

2.四维立体地震台网的新提法

3.前端数字化及数字传输

4.采用光纤通信技术这些技术对我们解决人工裂缝监测问题,注水前缘监测问题,热采前缘监测问题,套管变形区监测问题有重要的参考意义第87页/共108页1.单井井下人工裂缝监测

采用单井方法,主要是为了减轻作业负担,减少费用,为油田提供方便。以P波或S波偏振确定微地震相对观测井的方位，以P、

S波时差确定微地震与观测点的距离，从而确定微震源位置。在裸孔段中，该方法的观测精度尚可接受；在套管井中，则误差过大。第88页/共108页第89页/共108页第90页/共108页第91页/共108页2.多井井下人工裂缝监测

该方法尽管有很多成功的实例，但由于现场工作量过大，仅有试验意义，没有实用价值。

第92页/共108页第93页/共108页3.井下地面组合观测

单井的井下监测局限性大，精度也不是很高。单独的地面监测，信号的质量和真实性受到怀疑，且裂缝高度误差不能容忍。二者结合起来，就可以取长补短，以井下信号作为鉴别信号真伪的标准，以立体台网进行微地震定位，可以给出微地震精确的空间位置。而且增设地面台站，并不会增加多少工作量。我们建议采取第三种方案，可以适应不同条件下的观测和人工裂缝识别。第94页/共108页(二).国内进展

国内开展人工裂缝监测已有若干年的历史，目前还是以地面监测为主。虽然进行过一些井下观测，但很少取得令人满意的结果。近几年，在计算机高度发展的条件下，开始推进实时监测技术，且已取得一些进展。第95页/共108页文13-78井

该井在同一个下午同一个井段进行了二次增压注水实时监测,二次间的时间间隔约二小时。每次实时记录结果又进行了自动识别。这使该井的对比资料完整。可以看出，二次监测，裂缝长度相近，方位仅差1度。实时监测和自动识别几近相同。这表明，在裂缝监测结果的可重复性，可对比性方面，国内也取得了可喜的进展。我们还需在可靠性和高度的精确度方面下大力气。第96页/共108页文13-78井第一次实时监测

第97页/共108页文13-78井第一次自动回放

第98页/共108页文13-78井第二次实时监测

第99页/共108页文13-78井第二次自动回放

第100页/共108页(三).建议的方案和研究方法

一）.建议方案

1.我们建议采用单井（裸孔，套管）和地面台站的组合方法。

2.采用GPS同步数字传输技术

3.井下采用水听器串,光缆数字传输

4.前端采样率为每秒一千次,16位采样第101页/共108页第102页/共108页二).技术的先进性1.GPS时间同步,没有误差累计,同步误差为10